Stanično disanje kod ljudi

definicija

Stanično disanje, koje se naziva i aerobno (od starogrčkog "aer" - zrak), opisuje raspad hranjivih tvari poput glukoze ili masnih kiselina u ljudima koji koriste kisik (O2) za stvaranje energije, koja je potrebna za opstanak stanica. Hranjive tvari se oksidiraju, tj. oni odaju elektrone dok se kisik smanjuje, što znači da prihvaća elektrone. Krajnji proizvodi koji proizlaze iz kisika i hranjivih sastojaka su ugljični dioksid (CO2) i voda (H2O).

Funkcija i zadaci staničnog disanja

Svi procesi u ljudskom tijelu zahtijevaju energiju. Vježbanje, rad mozga, otkucaji srca, stvaranje sline ili kose, pa čak i probava, za funkcioniranje trebaju energiju.

Osim toga, tijelu je potreban kisik kako bi preživio. Ovdje je osobito važno stanično disanje. Uz pomoć ovog i plinskog kisika tijelo može sagorjeti tvari bogate energijom i iz njih dobiti potrebnu energiju. Sam kisik nam ne pruža nikakvu energiju, ali potreban je za provođenje procesa kemijskog izgaranja u tijelu i stoga je ključan za naš opstanak.

Tijelo poznaje mnogo različitih vrsta nositelja energije:

• Glukoza (šećer) je glavni izvor energije i osnovni građevni blok, kao i krajnji produkt razdvojen od svih škrobnih namirnica
• Masne kiseline i glicerin krajnji su produkti raspada masti i mogu se koristiti u proizvodnji energije
• Posljednja skupina izvora energije su aminokiseline koje su preostale kao produkt razgradnje proteina. Nakon određene transformacije u tijelu, one se mogu koristiti i za stanično disanje, a time i za stvaranje energije

Više o tome pročitajte pod Vježba i sagorijevanje masti

Najčešći izvor energije koji koristi ljudsko tijelo je glukoza. Postoji lanac reakcija koje u konačnici dovode do proizvodnje CO2 i H2O uz potrošnju kisika. Ovaj postupak uključuje glikoliza, pa Cijepanje glukoze i prijenos proizvoda, piruvat preko usrednjeg koraka Acetil-CoA u Ciklus limunske kiseline (Sinonim: ciklus limunske kiseline ili Krebsov ciklus). Proizvodi raspada ostalih hranjivih sastojaka kao što su aminokiseline ili masne kiseline također se ulaze u ovaj ciklus. Naziva se postupak u kojem se masne kiseline „razgrađuju“ tako da se mogu preliti i u ciklus limunske kiseline Beta oksidacija.

Ciklus limunske kiseline je, dakle, neka vrsta ulazne točke u kojoj se svi nosioci energije mogu uvesti u energetski metabolizam. Ciklus se odvija u krugu Mitohondriji umjesto toga, "energetske elektrane" ljudskih stanica.

Tijekom svih tih procesa, nešto energije se troši u obliku ATP-a, ali to se već dobiva, kao što je to slučaj, na primjer, u glikolizi. Pored toga, postoje pretežno druge zalihe srednje energije (npr. NADH, FADH2) koje svoju funkciju kao pohranjivanja energije obavljaju samo tijekom proizvodnje energije. Te posredne molekule skladištenja zatim ulaze u posljednji korak staničnog disanja, naime korak oksidativne fosforilacije, poznat i kao respiratorni lanac. Ovo je korak na kojem su dosad radili svi procesi. Respiratorni lanac, koji se također odvija u mitohondrijama, također se sastoji od nekoliko koraka u kojima se energetski bogate međuprostorne molekule tada koriste za ekstrakciju svenamjenskog nosača energije ATP. Ukupno, raspad jedne molekule glukoze rezultira s ukupno 32 ATP molekule.

Za one koji su posebno zainteresirani

Respiratorni lanac sadrži razne proteinske komplekse koji ovdje igraju vrlo zanimljivu ulogu. Oni funkcioniraju kao pumpe koje pumpaju protone (H + ione) u šupljinu dvostruke membrane mitohondrija dok konzumiraju međuprostorne molekule, tako da je tamo visoka koncentracija protona. To uzrokuje gradijent koncentracije između intermembranskog prostora i mitohondrijskog matriksa. Uz pomoć ovog gradijenta, u konačnici postoji molekula proteina koja djeluje na sličan način kao i vrsta vodene turbine. Vođeni ovim gradijentom u protonima, protein sintetizira ATP molekulu iz ADP-a i fosfatne skupine.

Više informacija možete pronaći ovdje: Što je respiratorni lanac?

ATP

Adenozin trifosfat (ATP) je energetski nosilac ljudskog tijela. Sva energija koja proizlazi iz staničnog disanja u početku se čuva u obliku ATP-a. Tijelo može koristiti energiju samo ako je u obliku molekule ATP-a.

Ako se potroši energija molekule ATP, iz ATP se stvara adenozin difosfat (ADP), pri čemu se fosfatna skupina molekule odvaja i oslobađa energija. Stanično disanje ili stvaranje energije služi u svrhu kontinuirane regeneracije ATP-a iz takozvanog ADP-a kako bi ga tijelo moglo ponovo koristiti.

Jednadžba reakcije

Zbog činjenice da su masne kiseline različite duljine i da aminokiseline također imaju vrlo različite strukture, nije moguće uspostaviti jednostavnu jednadžbu za ove dvije skupine kako bi se precizno karakterizirao njihov energetski prinos u staničnoj disanju. Jer svaka strukturalna promjena može odrediti u kojem koraku ciklusa citrata teče aminokiselina.
Raspad masnih kiselina u takozvanoj beta oksidaciji ovisi o njihovoj duljini. Što su duže masne kiseline, više energije možete dobiti od njih. To varira između zasićenih i nezasićenih masnih kiselina, s tim što nezasićene sadrže minimalno manje energije, pod uvjetom da imaju istu količinu.

Iz već spomenutih razloga jednadžba se najbolje može opisati za razgradnju glukoze. To stvara ukupno 6 molekula ugljičnog dioksida (CO2) i 6 molekula vode (H2O) iz molekule glukoze (C6H12O6) i 6 molekula kisika (O2):

• C6H12O6 + 6O2 postaje 6 CO2 + 6 H2O

Što je glikoliza?

Glikoliza opisuje razgradnju glukoze, tj. Grožđa šećera. Taj se metabolički put odvija u ljudskim stanicama kao i u drugim, npr. u slučaju kvasca tijekom fermentacije. Mjesto gdje stanice izvode glikolizu nalazi se u citoplazmi. Ovdje se nalaze enzimi koji ubrzavaju reakcije glikolize kako bi se istovremeno sintetizirao ATP i osigurali supstrati za ciklus limunske kiseline. Ovaj proces stvara energiju u obliku dvije molekule ATP-a i dvije molekule NADH + H +. Glikoliza, zajedno s ciklusom limunske kiseline i dišnim lancem, a oba su smještena u mitohondriju, predstavljaju put razgradnje jednostavne glukoze šećera do univerzalnog nosača energije ATP.Glikoliza se odvija u citosolu svih životinjskih i biljnih stanica.Krajnji produkt glikolize je piruvat koji se tada može uvesti u ciklus limunske kiseline putem intermedijarnog koraka.

Ukupno se u glikolizi koriste 2 ATP po molekuli glukoze kako bi se mogle provesti reakcije. Međutim, dobivena su 4 ATP-a tako da učinkovito postoji 2 dobitka ATP molekula.

Glikoliza deset reakcijskih koraka dok se šećer sa 6 atoma ugljika ne pretvori u dvije molekule piruvata, od kojih je svaka sastavljena od tri atoma ugljika. U prva četiri reakcijska koraka šećer se pretvara u fruktozu-1,6-bisfosfat uz pomoć dva fosfata i preuređenjem. Ovaj aktivirani šećer sada je podijeljen u dvije molekule s po tri atoma ugljika. Daljnjim preuređivanjem i uklanjanjem dviju fosfatnih skupina u konačnici dolazi do dva piruvata. Ako je sada dostupan kisik (O2), piruvat se može dalje metabolizirati u acetil-CoA i uvesti u ciklus limunske kiseline. Sveukupno, glikoliza s 2 molekule ATP-a i dvije molekule NADH + H + ima relativno nizak energetski prinos. Međutim, on postavlja temelje za daljnju razgradnju šećera i stoga je ključan za proizvodnju ATP-a pri staničnom disanju.

U ovom trenutku ima smisla odvajati aerobnu i anaerobnu glikolizu. Aerobna glikoliza dovodi do gore opisanog piruvata, koji se zatim može koristiti za proizvodnju energije.
S druge strane, anaerobna glikoliza, koja se odvija u uvjetima nedostatka kisika, piruvat se više ne može koristiti, jer ciklusu limunske kiseline treba kisik. U kontekstu glikolize stvara se i intermedijarna skladišna molekula NADH, koja je sama po sebi bogata energijom i također bi se u aerobnim uvjetima ubacila u Krebsov ciklus. Međutim, matična molekula NAD + neophodna je za održavanje glikolize. Zbog toga tijelo ovdje „ugrize“ „kiselu jabuku“ i pretvara tu visokoenergetsku molekulu u prvobitni oblik. Za provođenje reakcije koristi se piruvat. Iz piruvata nastaje takozvana laktatna ili mliječna kiselina.

Više o tome pročitajte pod

• laktat
• Anaerobni prag

Što je respiratorni lanac?

Respiratorni lanac posljednji je dio razgradnje glukoze. Nakon metabolizacije šećera u glikolizi i ciklusu limunske kiseline, dišni lanac ima funkciju regeneracije redukcijskih ekvivalenta (NADH + H + i FADH2) koji se stvaraju. Ovo stvara univerzalni nosač energije ATP (adenosin trifosfat). Kao i ciklus limunske kiseline, dišni lanac smješten je u mitohondrijama, koje se također nazivaju "elektranama stanice". Respiratorni lanac sastoji se od pet enzimskih kompleksa koji su ugrađeni u unutarnju mitohondrijsku membranu. Prva dva enzimska kompleksa obnavljaju svaki NADH + H + (ili FADH2) u NAD + (ili FAD). Tijekom oksidacije NADH + H +, četiri protona se transportiraju iz prostora matrice u intermembranski prostor. Dva protona se također pumpaju u intermembranski prostor za sljedeća tri enzimska kompleksa. To stvara gradijent koncentracije koji se koristi za proizvodnju ATP-a. U tu svrhu, protoni se slijevaju iz intermembranskog prostora kroz ATP sintazu natrag u prostor matrice. Oslobođena energija koristi se za konačno stvaranje ATP-a iz ADP (adenozin-difosfat) i fosfata. Drugi zadatak respiratornog lanca je presretanje elektrona nastalih oksidacijom redukcijskih ekvivalenata. To se događa prijenosom elektrona na kisik. Spajanjem elektrona, protona i kisika stvara se normalna voda u četvrtom enzimskom kompleksu (citokrom c oksidaza). To također objašnjava zašto se respiratorni lanac može odvijati samo kad ima dovoljno kisika.

Koje zadatke imaju mitohondriji u staničnom disanju?

Mitohondrije su organele koje se nalaze samo u eukariotskim stanicama. Nazivaju ih još i "elektranama ćelije" jer je u njima stanično disanje. Krajnji produkt staničnog disanja je ATP (adenosin trifosfat). Ovo je univerzalni nosač energije koji je potreban cijelom ljudskom organizmu. Odjeli mitohondrije preduvjet su za stanično disanje. To znači da u mitohondriju postoje zasebni reakcijski prostori. To se postiže unutarnjom i vanjskom membranom, tako da postoji intermembranski prostor i unutarnji prostor matrice.

Tijekom dišnog lanca protoni (vodikovi ioni, H +) prenose se u međumembranski prostor, tako da dolazi do razlike u koncentraciji protona. Ovi protoni potječu iz različitih ekvivalenta redukcije, poput NADH + H + i FADH2, koji se na taj način regeneriraju u NAD + i FAD.

ATP sintaza posljednji je enzim u respiratornom lancu, gdje se na kraju proizvodi ATP. Vođeni razlikom koncentracije protoni izlaze iz intermembranskog prostora kroz ATP sintazu u prostor matrice. Ovaj tok pozitivnog naboja oslobađa energiju koja se koristi za proizvodnju ATP-a iz ADP (adenozin-difosfat) i fosfata. Mitohondriji su posebno pogodni za respiratorni lanac, jer imaju dva reakcijska prostora zbog dvostruke membrane. Pored toga, u mitohondrionu se odvijaju mnogi metabolički putevi (glikoliza, ciklus limunske kiseline) koji pružaju polazne tvari (NADH + H +, FADH2) za dišni lanac. Ova prostorna blizina je još jedna prednost i čini mitohondrije idealnim mjestom za stanično disanje.

Ovdje možete saznati sve o temi respiratornog lanca

Energetska ravnoteža

Energetska bilanca ćelijskog disanja u slučaju glukoze može se sažeti na sljedeći način s formiranjem 32 molekula ATP-a po glukozi:

C6H12O6 + 6 O2 postaje 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Radi jasnoće, ADP i fosfatni ostatak Pi izostavljeni su od nastavnika)

Pod anaerobnim uvjetima, tj. Nedostatkom kisika, ciklus limunske kiseline ne može teći i energija se može dobiti samo aerobnom glikolizom:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP postaju 2 laktata + 2 ATP. + 2 H20. Tako se dobije samo oko 6% udjela po molekuli glukoze, kao što bi to bio slučaj s aerobnom glikolizom.

Bolesti povezane sa staničnim disanjem

Stanično disanje je bitno za preživljavanjetj da su mnoge mutacije u genima odgovornim za proteine ​​staničnog disanja, npr. Enzimi glikolize, kodiranja, smrtonosni (fatalan) su. Međutim, javljaju se genetske bolesti staničnog disanja. One mogu poticati iz nuklearne DNK ili iz mitohondrijske DNK. Sama mitohondrija sadrži vlastiti genetski materijal, neophodan za stanično disanje. Međutim, ove bolesti pokazuju slične simptome, jer imaju sve jedno zajedničko: interveniraju u staničnoj disanju i ometaju je.

Stanične respiratorne bolesti često pokazuju slične kliničke simptome. Ovdje je posebno važno Poremećaji tkiva, kojima treba puno energije, Oni posebno uključuju stanice živca, mišića, srca, bubrega i jetre. Simptomi poput slabosti mišića ili znakova oštećenja mozga često se javljaju već u mladoj dobi, ako ne i u vrijeme rođenja. Također govori izgovarano Laktacidoza (Prekomjerno zakiseljavanje tijela laktatom, koje se nakuplja jer se piruvat ne može dovoljno razgraditi u ciklusu s limunskom kiselinom). Unutarnji organi također mogu neispravno raditi.

Dijagnozu i terapiju bolesti staničnog disanja trebaju provoditi stručnjaci, jer klinička slika može biti vrlo raznolika i različita. Od danas je to još uvijek nema uzročno-kurativne terapije daje. Bolesti se mogu liječiti samo simptomatski.

Budući da se DNA mitohondrija prenosi s majke na djecu na vrlo kompliciran način, žene koje pate od bolesti staničnog disanja trebaju se posavjetovati sa stručnjakom ako žele imati djecu, jer samo one mogu procijeniti vjerojatnost nasljeđivanja.